文/观察者网专栏作者 晨枫
天下武功,唯快不破。
高超音速武器之所以引人注目,就是因为速度特别快,随之而来的就是不易拦截,突防力特别强大。速度本身也意味着动能,威力当然也很大。君不见,从天而降的陨石只是一坨石头,没有炸药,但坠地撞击时,也是惊天动地的大动静。
在50年代突破音障后,超音速很快就白菜化了,M2、M3接连突破,但更高的速度始终是个问题。在90年代,精确制导武器开始普及,直接碰撞杀伤成为反导的未来,在反装甲方面,动能穿甲也代替爆炸型战斗部成为方向。
在“银弹化”的热潮中,美国陆军开始研制新一代反坦克导弹,以M4以上的速度贴地飞行,直接撞击、动能穿甲。成功的话,这是坦克炮的有效替代,将革命性地改变坦克设计和坦克战。但是研发了几年后搞不下去了,至于M5以上的高超音速就更困难了。
美国是高超音速的先行者,但现在中国才是领跑者。在中美科技还没有脱钩的2017年,中美在厦门合作举办了高超音速国际学术会议,中国科学家发表了250多篇论文,约为美国论文的10倍,大量成果不仅领先,而且接近实用化。
果然,在2019年国庆阅兵上,东风-17高调展示。这是世界上第一种达到实战能力、具有大范围、大幅度高超音速机动滑翔能力的先进武器,而不是只能在弹道飞行基础上进行简单修正的“伪高超音速武器”。现在,中国的高超音速武器库更加壮大,93阅兵中可见一斑。
美国大吃一惊,急起直追,接连推出好几个高超音速武器计划,齐头并进,试图在短平快中找回场子,至少重建高超音速均势。但计划一个接一个失败,现在已经组建了陆军的高超音速导弹营,海军也在新舰艇设计中强调可以装载高超音速导弹的“载荷模块”,B-52的改装延寿也以能携带和发射高超音速导弹为主要目标之一。但冷冰冰的现实是:美国依然没有可用的高超音速导弹。
而中国正在往美国的这个伤口上抹盐。对了,四川的盐久负盛名。
11月25日,四川凌空天行科技有限公司微信公众号发布视频消息:“驭空戟-1000”高超声速导弹研制成功,射程为500至1300公里,速度为M5-7,动力巡航时间360秒。导弹具备自动识别目标、躲避威胁等能力,通过陆基发射车机动部署,对陆地固定目标和海上机动目标实施精准打击。

驭空戟-1000高超音速导弹
而且这不是“PPT式研制成功”,“驭空戟-1000”高超音速导弹基本型已经成功量产,集成人工智能决策与集群协同能力的智能型正处于全力研制阶段。至于网传的“70万元单价”,凌空天行方面不置可否。
“驭空戟-1000”是助推-滑翔型飞行器,采用乘波体构型。
助推-滑翔是最简单的高超音速实现方式,但说简单并不简单。最简单的助推滑翔就是用火箭助推,首先向高空发射,然后靠重力落下,在用高度换速度的过程中,转入滑翔。问题是,要射程足够远,就需要高度足够高。但从很大的高度深俯冲下来,强行拉起的过程有很大的下沉,对结构抗过载和飞控都是很大的挑战,还带来可观的能量损失。

驭空戟-1000的助推-滑翔弹道
更好的解决办法是打到略高于预定滑翔弹道的高度,就关闭发动机,靠重力改平,然后巡航发动机启动,开始水平推进,直到燃料耗尽,转入滑翔。
水平推进要求的发动机工作时间较长,对发动机的要求很高。火箭发动机自带氧化剂,不需要空气。这既是优点也是缺点。火箭发动机可以在真空环境工作的优点对于高超音速导弹来说不重要,高超音速导弹就是需要在大气层内飞行,才能利用气动升力增程和发挥机动性。但火箭发动机不需要进气道、压缩机的优点依然重要,确保发动机最简单,体积重量最小,而推力最大。
问题是缺乏空气流入,也增加了发动机冷却的困难。完全燃烧需要尽可能高的燃烧室温度,进一步增加火箭发动机长时间工作的挑战。开冷却空气进气口则增加阻力,高超音速飞行最怕的就是阻力,不仅降低速度,还增加热管理挑战。
“驭空戟-1000”的动力飞行时间高达6分钟以上,这对典型火箭发动机来说是超长的连续工作时间,哪怕是液体火箭发动机。相比之下,航天飞机第一级的工作时间只有2分钟,第二级的工作时间长得多,也只有5.5分钟。凌空天行可能用液体燃料或者氧化剂首先流经喷口和燃烧室外壁进行冷却,然后再送入燃烧室进行燃烧。这是在航天上已经采用的技术。
“驭空戟-1000”采用乘波体,但是挺特别的气动构型。大多数乘波体都是某种箭簇形:平面形状大体为三角形,相对扁平,上部有浅隆起,可能底部平坦或者上凹。

典型乘波体构型
但“驭空戟-1000”的基本弹体是圆柱-圆锥,有一对几乎全长的大边条,水平位置相对靠近底部,相当于飞机上的下单翼。这是简化的乘波体构型。

驭空戟-1000采用简化乘波体构型
圆柱-圆锥弹体大大降低了制造成本。近全长的边条提供了有用的低阻升力,还从中心线高度的前端到略低于中心线的后端自然形成安装角,增加升力。
下单翼不利于横滚稳定性,一般在飞机上,下单翼会用机翼上反来自然补偿。但作为简化乘波体,这里需要下反,略微的下反和略微前高后低的安装角是较高升阻比的关键。造成的横滚稳定性损失就需要V形双垂尾和边条翼后端的可动翼面共同构成的X形尾翼来补偿。弹尾腹下还有单独的可动腹鳍,进一步增加稳定性和可控性。最后形成很特别的五翼面尾翼,既不是导弹、火箭常见的十字尾、X形尾,也不是飞机上常见的山字尾。

驭空戟-1000有很特别的五翼面尾翼
良好的升阻比和强大的控制能力,使得“驭空戟-1000“具有良好的机动性,在遇到防空威胁时,可以绕过防空火力圈;或者在攻击路径规划时,选择从防空最薄弱的方向进入。迂回攻击能力对协调多弹向心攻击也很有用。

驭空戟-1000具有自动躲避威胁的能力
更长时间的水平飞行也意味着更大的累积热负荷,热防护的要求极大提高。
“驭空戟-1000”很有创意地采用建筑规格的发泡水泥,作为隔热材料。发泡水泥在建筑上常用于保温隔热,但那是常温环境。在高温环境下,发泡水泥里的水分会逐渐挥发,材料干燥化会最终引起收缩甚至开裂,但加入改型配料后,可以使发泡水泥在高温下坚持足够长时间,水分挥发还有散热作用。
高超音速导弹的飞行时间比弹道导弹更长,但毕竟是有限的。只要在飞行时间里保证隔热性能,并稍留余量,就够用了。发泡水泥不仅有成本低廉的好处,还涂抹容易。据流传出来的凌空天行PPT介绍,发泡水泥广泛涂抹于发动机外壳、舱段、翼面等大面积区,可在足够长的飞行时间里耐温800-1000oC。
发泡水泥涂层已经经过多次多发飞行试验,经受了平板级石英灯试验、燃气流风洞试验、力学-热力学联合试验。
在制造技术上,“驭空戟-1000”大量采用车规级芯片和线缆而不是军标产品,使用“淘宝“级摄像头而不是军标的航空摄像头,利用汽车工业常用的压铸工艺生产火箭结构部件,用电分离螺母代替爆炸分离螺母等。
根据流传出来的凌空天行PPT,同一个火箭构件,采用数控加工的话,单件生产成本高达30万元人民币;批量生产10件而且用砂模铸造的话,成本降低到8万元;采用先进的压铸技术,像挤牙膏一样把熔融金属挤入模具的话,200件排量的单件成本降低到30400元,1000件批量则为8000元,1万件批量进一步降低到3200元,10万件批量则只有1375元。一台压铸机每天可生产500-1000件,模具可连续使用10万次。
“淘宝”级摄像头的购价只有180元,组装成摄像头模组后,100件批量的单件成本15000元,但1万件批量的话,单件成本降低到2200元。
用来分离上下级的螺母传统上用爆炸螺母,军标定制价格22000元,生产周期5个月,而且火工品研制、生产和使用的控制很严格。改用电分离螺母后,可靠性和迅速性依然有保证,但100件批量单件成本降低到8000元,10000件批量的单件成本更是降低到2000元。电分离螺母可重复只用100-1000次,理论上可以进一步摊薄成本,不过这对一次性使用的高超音速导弹的意义不大。
这样的组合拳之后,凌空天行说成本比军标同类产品降低90%,但“驭空戟-1000”的成本降低到70万元(约合10万美元)可能并非虚言。相比之下,美国“战斧”Block V巡航导弹的陆攻型单价为200-220万美元,反舰型410万美元;JASSM-ER隐身巡航导弹单价为150万美元;LRASM反舰导弹单价为320万美元;SM6陆攻导弹单价为400-490万美元;无动力的SDB II制导滑翔炸弹单价为19-22万美元。除了SM6,这些导弹连超音速都达不到。
高超音速的话,LRHW单价高达4100万美元(这可能是摊入了研发费用);AGM-183如果不下马,估计单价为1800万美元;HACM高超音速巡航导弹如果最终研制成功,单价估计1300-1500万美元。当然,这些导弹的射程和威力比“驭空戟-1000”更大,但只要需要,“驭空戟-1000”可以通过增加巡航发动机的燃料来提高射程。成本增加10倍都达不到美国同行的皮毛。
70万元应该是“驭空戟-1000”基本型的价格,采用人工智能后,智能型应该具有自动决策和集群协同能力。也就是说,弹群在飞行中可自动决定是分散后向心攻击,还是集中在一起鱼贯攻击;任何一枚弹发现防空威胁或者目标时,可自动通报群内各弹并上报,然后自动规划规避或者突击方案,包括佯攻和强攻。向上级通报不仅确认目标性质和规模,还预判战果,作为上级对后续打击决策的参考。每一枚弹在击中目标前的最后时刻,还会上传最后的目标图像,便于上级用于战果评估。
向心攻击和鱼贯攻击各有优点。向心攻击最大限度地拉开敌人的火力网,迫使敌人应接不暇。但在多阵面全向凝视式相控阵雷达和全向发射的垂发导弹面前,向心攻击有可能只是分散了自己的攻击密度。
鱼贯攻击把所有导弹集中在同一方向,最大限度地增加敌人制导和发射负担,有可能在敌人反应不及的空隙里成功突防。缺点是全向发射的垂发意味着向同一个方向还是向不同方向发射没有差别,如果相控阵雷达足够给力,从一个方向造成饱和态势也没用。
这里没有简单的答案,所以需要智能制导临场决断。集群协同还可以在领弹故障或者被击落时,自动移交指挥权给下一枚弹,率领弹群继续攻击。
智能型可能不止70万元,但依然价格可控。价格非常重要,这不仅意味着可负担性,也意味着可扩产性。
直接利用民标技术和部件对于军品生产有巨大意义。民标技术产能巨大,民标产品库存充足。但军标之所以是军标,是因为严格的设计、测试、制造、仓储要求决定了可靠性。没有比打不响的武器弹药更摧毁士气和战果了。
一般来说,民标达不到军标的标准,但军品的关键在于产品性能。从头到尾军标从源头上确保可靠性,但要是通过系统优化和质量控制达到同等产品可靠性,使用民标技术和部件没有什么不可以。关键是军标思维为本,民标技术为舟。
美国也在搞军购改革,重点就是用民标产品替代军标,用Palanthir、安杜里尔等“新势力”补充现有的“军工大五”(洛克希德、波音、诺斯罗普、通用动力、BAe),但出了很多问题。安杜里尔负责、包括Palanthir和微软等的陆军“下一代指挥与控制通信平台”(NGC2)意图整合士兵、传感器、车辆与指挥官之间的实时数据互联,但在测试中发现:“我们无法控制谁能看到哪些信息,无法掌握用户正在进行的操作,也无法验证软件本身是否安全。……鉴于该平台当前的安全状况,以及其搭载的第三方应用程序,敌方极有可能获得对该平台的持续且无法被检测的访问权限,因此该系统必须被视为极高风险对象。”
问题出在安杜里尔用民标思想解决军标问题,没有理解军标对可靠性、保密性的要求。以工业系统作为比照,公司的办公和商务信息系统很重要,普天之下事无巨细什么都要管起来,但在最坏情况下,一声令下全面重启,可以解决很多问题。计算机控制系统正好相反,可以不管闲事、只管必须管的东西,但必须24/7/365全时可靠工作,还要能有效抵抗恶意入侵,即使断电都要用UPS硬顶,重启不是选项。
然而,计算机控制系统可以用家用LCD显屏、键盘、鼠标作为终端,但需要有完善的冗余、备件应付万一。这就好比用民标产品实现军标思维。
凌云天行也是一样,用严格的测试确保民标技术和部件达到设计要求,并在系统整合和生产制造中确保最终性能达到军标。凌云天行与“面条厂搓飞机”是两回事,各种化繁为简也是在由简入繁后去芜存菁,而不是“没有条件创造条件也要上”的因陋就简。
创始人王毓栋是科班出身,在中国运载火箭技术研究院担任过主管设计、副主任设计师、主任设计师、室主任、副总师等岗位,从事国家重大型号研制与科研生产组织工作,具备丰富研制经验,曾获国防科技进步奖等奖项。团队也从事高超音速飞行技术已久,“云行”超音速飞机、“窜天石猴”和“筋斗云JINDOU-400S”超音速飞机发动机等产品都是凌空天行的作品。眼下,凌空天行的重点是低成本制造。
在战争和武器发展历史上,制造技术引起的武器革命屡见不鲜。在一战末年,德军突击队携带新发明的MP18冲锋枪,突入敌军战壕。短小的武器和密集的火力大杀四方,威力惊人。MP18很快流入中国,新生的工农红军用缴获的“花机关”(MP18当时的昵称,也有称“手提机枪”的)打出了威风,在一次战斗中,朱德带领卫士班,亲自用“花机关”打退敌人进攻。“花机关”对安顺场和泸定桥战斗尤其重要。
但MP18采用传统的金工精制,工艺复杂,制作冗长,成本较高,批量有限。在二战时代,MP18发展到MP38,设计先进,制作精良,性能优秀。冲锋枪、坦克和“斯图卡”轰炸机构成“闪电战”的三板斧。但MP38的制造依然太复杂,成本和产能打不到要求。MP40和MP38看起来差不多,但借助铆焊工艺,把机匣和握把用钢板直接冲压而成,极大提高制造效率和降低成本。
MP40一投入战场,就把还以李恩菲尔德、莫辛纳甘及其同辈的单发栓动步枪为主的盟军步兵打得一筹莫展,各国马上启动疯狂的“冲锋枪革命”,以便赶上。
MP40是枪械制造史上的革命。英国“斯登”、美国MP3、苏联“波波沙”都在制造上仿效MP40。最大限度利用冲压件的思路延续到战后枪械。著名的AK47其实大部分都以改进型AKM的形式存在,AKM就是进一步扩大冲压和铆焊工艺的AK47。
T34和“虎”式、“黑豹”坦克的故事更是耳熟能详。
快进到现在,“驭空戟-1000”本身是否会海量生产,现在还不知道,但这样的潜力无疑对未来战争具有巨大意义。在美欧为155毫米炮弹的产能而焦虑的现在,中国可以大爆高超音速导弹的产能,其意义是怎么强调也不过分的。
“驭空戟-1000”用三轴拖车作为发射车,发射重量未知,但射程为500-1300公里。视频里不断以日本为背景,上海到广岛大约1100公里,吉林到东京约1300公里,并非凑巧。
不管在哪一个战场,当高超音速导弹像白菜一样纷纷落下,战争的面貌再一次改变了。